600 MW鍋爐旋流燃燒器超低負(fù)荷穩(wěn)燃數(shù)值模擬

鄧海濤，雷凱超 ，鄭立軍 ，蒲建業(yè)

(1.國(guó)家電投朝陽(yáng)燕山湖發(fā)電有限責(zé)任公司，遼寧 朝陽(yáng) 122000； 2.中電投東北能源科技有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110179)

當(dāng)前形勢(shì)下電網(wǎng)調(diào)峰力度增加，峰谷差越來越大。面對(duì)新形勢(shì)，最大限度地做到節(jié)約燃油，提高鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性，增強(qiáng)鍋爐的穩(wěn)燃能力是電站鍋爐研究的重點(diǎn)[1]。文獻(xiàn)[2]從機(jī)理上闡述了低負(fù)荷穩(wěn)燃的影響因素，指出鍋爐穩(wěn)燃可以從降低著火熱和提高著火供熱兩方面入手。文獻(xiàn)[3]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，可以通過提高煤粉濃度的方法增強(qiáng)燃燒器的穩(wěn)燃能力。

為了保證朝陽(yáng)燕山湖發(fā)電有限責(zé)任公司鍋爐在高負(fù)荷情況下燃燒不受大的影響、低負(fù)荷下能保持穩(wěn)定燃燒，需要通過優(yōu)化燃燒器結(jié)構(gòu)來達(dá)到合理的煤粉濃度以及配風(fēng)，提高燃燒器的穩(wěn)燃能力。該燃燒器實(shí)現(xiàn)煤粉濃度的提高主要依靠一次風(fēng)的濃縮結(jié)構(gòu)，通過對(duì)燃燒器的濃縮器進(jìn)行局部?jī)?yōu)化，可以在小范圍內(nèi)提高局部的煤粉濃度，增強(qiáng)燃燒器的穩(wěn)燃性能。同時(shí)針對(duì)煤粉氣流受管道影響的特點(diǎn)，對(duì)燃燒器的濃縮也會(huì)產(chǎn)生影響，為此優(yōu)化了煤粉氣流的均勻性，以期達(dá)到合理的濃縮效果。

本文主要針對(duì)該思想所提出的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。

1 鍋爐概述

國(guó)家電投朝陽(yáng)燕山湖發(fā)電有限責(zé)任公司配置兩臺(tái)哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司生產(chǎn)的600 MW超臨界機(jī)組，鍋爐型號(hào)為HG-1930/25.4-HM2。鍋爐采用中速磨正壓冷一次風(fēng)式直吹制粉系統(tǒng)，每爐配7臺(tái)磨煤機(jī)(6臺(tái)運(yùn)行，1臺(tái)備用)，煤粉細(xì)度按R90=35%選取。燃燒器布置方式采用前后墻布置，對(duì)沖燃燒方式。采用7臺(tái)中速磨煤機(jī)，前墻布置4層煤粉燃燒器，后墻布置3層煤粉燃燒器，每層各有5只低NOx軸向旋流燃燒器，共35只燃燒器。在最上層煤粉燃燒器上方、前后墻及左右側(cè)墻環(huán)形布置1層燃盡風(fēng)燃燒器，前后墻各5只，兩側(cè)墻各3只，共16只燃盡風(fēng)燃燒器。

其對(duì)應(yīng)的鍋爐主要參數(shù)如表1所示。

表1 鍋爐設(shè)計(jì)性能參數(shù)

國(guó)家電投朝陽(yáng)燕山湖發(fā)電有限公司燃用煤種為內(nèi)蒙古白音華煤田產(chǎn)二號(hào)露天礦褐煤。設(shè)計(jì)煤質(zhì)、校核煤質(zhì)及灰分見表2。

兩臺(tái)鍋爐在實(shí)際運(yùn)行中已經(jīng)能夠在30%BRL負(fù)荷以上不投油穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)鍋爐整體運(yùn)行良好，汽水參數(shù)、NOx排放量和鍋爐效率等都處于較為理想的狀態(tài)，只是鍋爐在高負(fù)荷情況下，部分燃燒器煤粉氣流著火較早，煤粉燃燒器噴口存在局部結(jié)焦的問題。為了達(dá)到20%BRL負(fù)荷下不投油穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)兼顧鍋爐高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)不受大的影響，需要對(duì)原有的燃燒系統(tǒng)進(jìn)行一定的優(yōu)化改造，一方面能夠保證鍋爐在高負(fù)荷情況下整體燃燒工況變化不大，整體運(yùn)行較優(yōu)化前無大的變化，另外一方面也能夠在20%低負(fù)荷情況下，燃燒器能夠保證煤粉的穩(wěn)定燃燒。為了達(dá)到20%負(fù)荷不投油穩(wěn)燃的目標(biāo)，在原有鍋爐旋流燃燒器基礎(chǔ)上開展新型寬調(diào)節(jié)比旋流燃燒器的優(yōu)化研究。

表2 煤質(zhì)及灰分分析

2 優(yōu)化方案

影響煤粉氣流著火的因素主要有高煤粉濃度、高溫度、高氧濃度梯度3個(gè)方面，也就是常說的“三高理論”。在實(shí)際工程上，當(dāng)鍋爐負(fù)荷確定以后，其爐內(nèi)的溫度水平基本上已經(jīng)確定，需要通過優(yōu)化燃燒器結(jié)構(gòu)來達(dá)到合理的煤粉濃度以及配風(fēng)，提高燃燒器的低負(fù)荷穩(wěn)燃能力，達(dá)到爐內(nèi)煤粉的穩(wěn)定燃燒。

鑒于該燃燒器在高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的表現(xiàn)，為了保證鍋爐在高負(fù)荷情況下燃燒不受大的影響，本次優(yōu)化方案擬通過提高煤粉濃度的方式來提高燃燒器的穩(wěn)燃性能，而不對(duì)原燃燒器的配風(fēng)型式即二次風(fēng)配風(fēng)方式進(jìn)行優(yōu)化，確保爐內(nèi)的燃燒動(dòng)力場(chǎng)分布等不發(fā)生大的變化。

本文主要研究燕山湖旋流燃燒器不同結(jié)構(gòu)形式下的兩相流分布形式，根據(jù)燃燒器設(shè)計(jì)理論，提出了縮小煤粉濃縮器尺寸，使分離后的濃相煤粉氣流更靠近一次風(fēng)中心部分，從而提高燃燒器出口煤粉濃度的優(yōu)化措施。本文將此優(yōu)化措施進(jìn)行數(shù)值模擬。計(jì)算用邊界條件見表3和表4。燃燒器計(jì)算模型及截面位置示意如圖1所示。

表3 燃燒器邊界條件(100%負(fù)荷)

表4 煤質(zhì)數(shù)據(jù)

圖1 燃燒器計(jì)算模型及截面位置示意圖

3 計(jì)算方法

以計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，簡(jiǎn)稱CFD)為計(jì)算依據(jù)，采用湍流流動(dòng)模型、顆粒相輸運(yùn)模型、氣相反應(yīng)模型、輻射換熱模型，模擬鍋爐爐內(nèi)詳細(xì)的湍流流動(dòng)和煤燃燒、傳熱過程。

3.1 湍流模型

(1)

(2)

式中t——湍流黏性；k——湍動(dòng)能；ε——湍動(dòng)能耗散率。

湍動(dòng)能k和湍動(dòng)能耗散率ε可通過求解其控制方程獲得：

(3)

k-ε模型把湍流黏性與湍流動(dòng)能k和湍動(dòng)能耗散率ε相聯(lián)系，是最具代表性的，同時(shí)也是工程中應(yīng)用最為廣泛的湍流模型。模型中的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)(C，C1等)中采用Fluent中默認(rèn)的模型參數(shù)。

3.2 輻射模型

模擬中采用Discrete Ordinates (DO)模型計(jì)算鍋爐爐膛內(nèi)的輻射換熱。DO模型求解的是有限個(gè)離散立體角下輻射傳播方程：

(4)

DO模型是Fluent軟件中最為復(fù)雜的輻射模型，從小尺度到大尺度輻射計(jì)算都適用，并且可計(jì)算非-灰度輻射和散射效應(yīng)，但需要較大的計(jì)算量。

3.3 氣相反應(yīng)模型

模擬中采用渦耗散模型(Eddy-Dissipation Model，簡(jiǎn)稱EDM)計(jì)算鍋爐內(nèi)氣相燃燒反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)速率：

(5)

其中，Ri,r為組分i通過反應(yīng)r的凈生成率，通過式(5)兩個(gè)公式計(jì)算獲得的較小值來確定；YR，YP分別為反應(yīng)物和燃燒產(chǎn)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，A和B為模型常數(shù)。渦耗散模型假設(shè)氣相燃燒反應(yīng)速率較快，因此反應(yīng)速率實(shí)際上由燃料及氧化劑的擴(kuò)散速度所決定。模型中反應(yīng)速率取決于湍流脈動(dòng)衰變速率，并且能自動(dòng)選擇成分控制速率，因此該模型不僅能用于非預(yù)混火焰，也能用于預(yù)混火焰。渦耗散模型的模型常數(shù)B用于預(yù)混火焰；對(duì)于非預(yù)混火焰(如爐膛內(nèi)的燃燒過程)只使用常數(shù)A。常數(shù)A為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，其值的選取依賴于燃料、化學(xué)反應(yīng)設(shè)置和燃燒區(qū)的湍流雷諾數(shù)等。

4 計(jì)算結(jié)果

擬通過縮小煤粉濃縮器內(nèi)壁尺寸，使分離后的濃相煤粉氣流更靠近一次風(fēng)中心部分，煤粉濃縮效果保持到出口，從而提高煤粉的濃縮比，更有利于煤粉著火。濃縮器結(jié)構(gòu)尺寸示意如圖2所示。

圖2 濃縮器結(jié)構(gòu)尺寸示意圖

4.1 濃縮器直段區(qū)域縮短數(shù)值模擬結(jié)果

下面主要計(jì)算濃縮器直段區(qū)域縮短200 mm對(duì)燃燒器出口兩相流的影響。工況1燃燒器不同截面位置速度分布如圖3所示。工況1燃燒器不同截面位置煤粉濃度分布如圖4所示。

圖3 工況1燃燒器不同截面位置速度分布(m·s-1)

圖4 工況1燃燒器不同截面位置煤粉濃度分布(kg·m-3)

由速度圖3的分布可見，對(duì)比原始設(shè)計(jì)工況，流場(chǎng)的基本形式無明顯變化，但由于濃縮器直段變短，風(fēng)粉的濃縮效果變?nèi)?，但由于濃縮器距出口的距離無變化，并且一次風(fēng)的慣性較小，擴(kuò)散較快，因此出口速度分布無明顯變化。

由圖4的煤粉濃度分布可見，由于濃縮器直段變短，濃縮效果減弱，一次風(fēng)出口靠近中心風(fēng)管高煤粉濃度區(qū)域減小。

4.2 濃縮器內(nèi)徑縮小數(shù)值模擬結(jié)果

下面主要計(jì)算在原始設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，濃縮器內(nèi)徑由781 mm縮小為770 mm時(shí)對(duì)燃燒器出口流場(chǎng)的影響。濃縮器內(nèi)徑縮小后，濃縮器處設(shè)計(jì)速度由40 m·s-1變成43 m·s-1。工況2燃燒器不同截面位置速度分布如圖5所示。工況2燃燒器不同截面位置煤粉濃度分布如圖6所示。

圖5 工況2燃燒器不同截面位置速度分布(m·s-1)

圖6 工況2燃燒器不同截面位置煤粉濃度分布(kg·m-3)

由圖5的速度分布可見，對(duì)比原始設(shè)計(jì)工況，除濃縮器區(qū)域速度變大以外，燃燒器出口區(qū)域流場(chǎng)形式無明顯變化。一次風(fēng)出口區(qū)域無明顯高值區(qū)域，一次風(fēng)均勻性相對(duì)提高。

由圖6的煤粉濃度分布可見，由于濃縮器內(nèi)徑變小，濃縮效果提高，一次風(fēng)出口靠近中心風(fēng)管高煤粉濃度區(qū)域增大。

下面主要研究濃縮器的尺寸對(duì)出口兩相流的影響，統(tǒng)計(jì)燃燒器出口內(nèi)環(huán)與外環(huán)的風(fēng)與煤的分配，結(jié)果見表5。在表5中，內(nèi)外環(huán)一次風(fēng)量為輸出統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，已包含煤粉水分；內(nèi)環(huán)與外環(huán)劃分按分隔環(huán)設(shè)計(jì)尺寸，為假想環(huán)，僅為對(duì)比分析數(shù)據(jù)。

(1)濃縮器直段縮短200 mm，對(duì)出口速度分布無明顯影響，內(nèi)、外環(huán)風(fēng)量基本無變化，內(nèi)環(huán)煤由原始工況的0.485變小為0.472，內(nèi)濃效果變差。

(2)濃縮器內(nèi)徑縮小為770 mm時(shí)，燃燒器出口流場(chǎng)形式無明顯變化，濃縮效果增強(qiáng)，內(nèi)、外環(huán)風(fēng)量與煤量分配都有變化，但由于煤粉的慣性大，煤量變化大于風(fēng)量變化，內(nèi)環(huán)的煤粉濃度增加，因此推薦此方案。

表5 濃縮器結(jié)構(gòu)尺寸變化計(jì)算結(jié)果 kg·s-1

5 原始結(jié)構(gòu)與濃縮器內(nèi)徑縮小的熱態(tài)計(jì)算

下面主要分析燃燒器原始結(jié)構(gòu)與濃縮器內(nèi)徑由781 mm縮小為770 mm時(shí)的熱態(tài)計(jì)算，分別計(jì)算了兩種結(jié)構(gòu)在20%負(fù)荷下的單只燃燒器熱態(tài)計(jì)算，工況列表見表6。

表6 工況列表

通過原燃燒器結(jié)構(gòu)與濃縮器內(nèi)徑減小為770 mm時(shí)燃燒器熱態(tài)計(jì)算，分析兩種結(jié)構(gòu)對(duì)燃燒器溫度與速度的影響，計(jì)算用邊界條件見表7。表7中，煤粉量中不包含蒸發(fā)出的煤粉水分。

20%負(fù)荷原燃燒器與濃縮器內(nèi)徑減小為770 mm燃燒器截面溫度分布如圖7所示。20%負(fù)荷原燃燒器與濃縮器內(nèi)徑減小為770 mm燃燒器截面速度分布如圖8所示。

表7 單只燃燒器入口邊界條件(20%負(fù)荷)

圖7 20%負(fù)荷原燃燒器與濃縮器內(nèi)徑減小為770 mm燃燒器截面溫度分布(K)

圖8 20%負(fù)荷原燃燒器與濃縮器內(nèi)徑減小為770 mm燃燒器截面速度分布(m·s-1)

從數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果來看，濃縮器內(nèi)徑收縮后，燃燒器出口高溫區(qū)向近噴口處移動(dòng)，并且溫度梯度變化加快，中心回流區(qū)內(nèi)高溫區(qū)域明顯增多，表明風(fēng)粉混合物著火迅速，并且較原結(jié)構(gòu)提前。20%負(fù)荷下兩種結(jié)構(gòu)燃燒器速度場(chǎng)整體基本一致，濃縮器內(nèi)徑縮小后，中心回流區(qū)略大。

6 結(jié)語

基于對(duì)各種燃燒器優(yōu)化結(jié)構(gòu)措施的冷、熱態(tài)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，可以得到以下結(jié)論。

(1)低負(fù)荷運(yùn)行工況下，濃縮器內(nèi)徑縮小后的結(jié)構(gòu)燃燒器噴口附近高溫區(qū)域面積增大，煤粉著火提前，有利于低負(fù)荷狀態(tài)下的穩(wěn)定燃燒。

(2)20%負(fù)荷下對(duì)比原結(jié)構(gòu)的熱態(tài)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明，濃縮器內(nèi)徑縮小后，燃燒器出口高溫區(qū)向近噴口處移動(dòng)，高溫區(qū)域面積變大，且溫度梯度提高，較原結(jié)構(gòu)煤粉著火提前；速度場(chǎng)相對(duì)變化不大，濃縮器內(nèi)徑縮小后，20%負(fù)荷工況下的燃燒器出口中心回流區(qū)略有增加。